光通信与光网络技术

1光通信与光网络技术清华大学电子工程系李艳和2000年11月20日2Howcouldwegetthephotons“Smart”Howcouldweachievethebitrate“limit”-Petabit/s3光通信基本概念•什么是通信？–“通”传送，“信”信息；信息的传送–基本组成：发送、传输、接收•什么是光通信？–用光波载运信息，实现通信•什么是光纤通信？–以光波载运信息，用光纤作传输媒体，实现通信4光纤通信器件的发展过程•雏形：古代烽火、手旗、灯光1880年贝尔的光电话激光器光纤1960Maiman发明红宝石激光器1962半导体激光器诞生（GaAs870nm)70年代室温工作LD(GaAsAl850nm)1300、1550nm多模LD静态单模LD动态单模LD1951医用玻璃纤维（损耗1000dB/km）1965E.Miller透镜光波导1966高锟理论预言1970康宁制出低损耗光纤(20dB/km)1300、1550nm低损耗窗口光纤开发单模光纤5光纤通信系统的发展历程•70年代，室内光纤通信实验•76年后，实用光纤通信系统出现•80年美国电报电话公司45Mb/s光纤通信系统FT-3商用•光纤通信的发展经历了短波长-长波长、多模光纤-单模光纤、低速率-高速率，大体上可分为四代：–第一代：多模光纤、工作波长850nm–第二代：多模及单模光纤、多模激光器、工作波长1330nm–第三代：单模光纤、单模激光器、工作波长1550nm–第四代：采用掺铒光纤放大器（EDFA）•铺设光纤：几千万公里•传输速率：从565Mb/s~10Gb/s，甚至40Gb/s…...6光纤通信的优点•频带宽、信息容量大•传输损耗低、无中继距离远•材料丰富•抗电磁干扰•光纤间串话小，保密性好•耐腐蚀、耐高压•体积小、质量轻7光纤通信的发展趋势•基本目标：–发挥光纤带宽潜力–克服光纤损耗、色散限制–延长中继距离–扩大传输容量–减低成本•光纤通信新技术–光电集成技术（OEIC）–密集波分复用（DWDM）–光时分复用（OTDM）–全光网络技术–光接入网–孤子通信技术通信技术波段及频率的划分波段代号频率范围(GHz)L1~2S2~4C4~8X8~12Kv12~18K18~27Ka27~409SDH复用等级和接口速率SDH中国、欧洲STM－1STM－4STM－16STM－64速率Mb/s155.520622.0802448.3209953.280话路数SDH（SONET）1920768030720122880SDH(SONET)OC－3OC－12OC－48OC－192话路数SDH中国、欧洲201680643225612902410光纤通信系统概述•拓扑结构12N32111111点对点系统一点对多点系统光纤网络•系统组成电信号光发射机光接收机电信号光纤电信号光发射机光接收机电信号光纤中继器无中继系统中继系统O-E-O中继器EDFA11全国光纤总用量•截止到1998年底1540万公里•其中中国电信占74.40%•广播电视占13.00%•中国联通占4.90%•中国铁道占3.40%•中国电力占1.10%•其他占3.20%12全国光缆总用量•截止1998年底共138万公里•其中中国电信占65.22%•广播电视占18.84%•中国联通占1.74%•中国铁道占4.71%•中国电力占1.09%•其他占8.40%13中国电信光缆建设历程•从九十年代初开始•到1995年底共敷设长途光缆约11万公里,基本建成PDH网•到1998年底共敷设长途光缆约17万公里,基本建成“八纵八横”采用SDH技术的省际干线网•1998年开始采用DWDM技术扩容14“八五”期间干线光缆建设简况•建设省际光缆干线22条，约3.8万公里•采用PDH技术•传输速率:140Mbit/s、565Mbit/s•设备供应厂家：武汉院、韩国三星、日本FUJITSU、澳大利亚NEC、美国LUCENT、PKI、意大利ITALTEL•按每条干线设置网管设备15“八五”期间干线光缆建设简况•系统工作波长1310nm•G.652光纤•中继距离60~70公里•光缆芯数12~24•除拉萨外,各个省会均有干线光缆联通,•树形网,没有保护16“九五”期间干线光缆建设简况•建设省际光缆干线28条，约4万公里•采用SDH和DWDM技术•传输速率:622Mbit/s、2.5Gbit/s、10Gbit/s•设备供应厂家：•SDH：FUJITSU、NEC、LUCENT、SIEMENS、GPT、ALCATEL、NORTEL、ERICSSON、ECI、武汉院•DWDM：LUCENT、NEC、ALCATEL17“九五”期间干线光缆建设简况•按省设置网管设备•系统工作波长1550nm•G.652光纤及G.653光纤•中继距离70~80公里•光缆芯数36~48•所有省会均有干线光缆联通•除拉萨外,各个省会均有两个以上干线光缆出口•格形网，缺乏必要的保护措施18“九五”期间干线光缆建设简况八纵牡丹江—上海—广州；齐齐哈尔—北京—三亚；呼和浩特—太原—北海；哈尔滨—天津—上海；北京—九江—广州；呼和浩特—西安—昆明；兰州—西宁—拉萨；兰州—贵阳—南宁19“九五”期间干线光缆建设简况八横天津—呼和浩特—兰州；青岛—石家庄—银川；上海—南京—西安；连云港—乌鲁木齐—伊宁；上海—武汉—重庆；杭州—长沙—成都；广州—南宁—昆明；上海—广州—昆明20国际光缆建设情况•自1989年开始参与•中日光缆，全长1200km，565Mbit/s，1993年12月15日开通•中韩光缆，全长546km，565Mbit/s，1996年2月9日开通•FLAG，全长27000km，10Gbit/s，1997年11月22日开通21国际光缆建设情况•亚欧陆地光缆，全长27000km，622Mbit/s，1998年10月开通•中国—东南亚陆地光缆，全长6900km，2.5Gbit/s，正在建设•亚欧海底光缆，全长38000km，40Gbit/s，预计1999年9月开通•中美海底光缆，全长26000km，20Gbit/s，预计1999年底开通22DWDM干线建设情况•使用DWDM技术的干线:京—汉—广；京—津—沪；京—太—西；沪—福—穗；汉—宁—沪；成—渝；济—青；广—汕•采用82.5Gbit/s•全长约13000公里，居世界第二•设备供应厂家：LUCENT、NEC、NORTEL、ALCATEL、武汉院和大唐23波分复用(WDM)通信技术24第三传输窗口第二传输窗口第一传输窗口13001550850紫外吸收红外吸收瑞利散射0.22.5损耗(dB/km)波长(nm)光纤损耗谱特性OH离子吸收峰光纤带宽：1300nm窗口约100nm，1550nm窗口约100nm，共200nm，约30THz252、时分复用（TDM）存在的问题：•“电子瓶颈”限制：10Gb/s→40Gb/s…•光纤色散限制•单波长通信系统远不能有效利用光纤带宽signal1signal21011100111001011TDMsignal问题的提出263、波分复用（WDM）一根光纤同时传输几个不同波长的光载波，每个光载波携带不同的信息--波分复用（WDM）1234WDM二、发展历程•1977年首先提出•1300/1550双波长复用系统•波长间隔=200GHz(1.6nm)复用系统•波长间隔为100GHz、50GHz…密集波分复用系统•WDM技术成为目前光纤通信最具代表性的先进技术光纤问题的提出27光发射机中继器中继器中继器光接收机光发射机中继器中继器中继器光接收机光发射机中继器中继器中继器光接收机光发射机中继器中继器中继器光接收机光发射机光发射机光发射机光发射机N123光接收机光接收机光接收机光接收机N123复用器解复用器EDFA•波长稳定、窄线宽•高速、小啁啾调制窄带、小串话、稳定滤波增益平坦、宽带、较高输出功率•高灵敏度•宽动态范围系统构成28关键器件与关键技术•复用/解复用器•光放大器（EDFA）•光发射机291、复用/解复用器功用：在波分复用（WDM）系统中，将不同波长的光信号复合注入到一根光纤（复用），或者相反地把复合的不同波长信号分离开来（解复用）类型：多层介质膜阵列波导光栅（array-waveguide-gratingAWG）衍射光栅型关键器件与关键技术30解复用器的传输特性对解复用器件的要求•3-dB带宽小于信道间隔的一半•交叉点损耗（相对于峰值损耗）大于20dB31•多层介质膜解复用器特点：•利用具有不同透射波长的多层介质薄膜实现解复用•信道间隔（目前=0.8nm）•端口数（达32康宁）•有色散滤波•无源•可通过级联的方法扩展端口24687531玻璃基片12...832•阵列波导光栅（AWGarray-waveguide-grating）输入波导输出波导阵列波导片状波导工作原理：ddnnnnndcnmddLxjLximdnLndnccgcgsfofioscis2/,/sinsin2、通道间隔HznndcnmLxddLxcgsff121dLfx片状波导半波片,偏振补偿1、多光束干涉334、特点：信道间隔（1.60.80.4nm）端口（18116132164)需要温控（0.01nm/C0)无色散滤波（图15）3、通带特性HzxfFWHMffxfT0202ln2exp会聚光点的大小，通常取4~5m0f034•衍射光栅型解复用器：输入光纤输出光纤1N1...N单模光纤光波导InP材料光栅工作原理:光栅衍射35关键器件与关键技术•复用/解复用器•光放大器（EDFA）•光发射机362、EDFA•要求:增益平坦较高的输出功率•增益特性15441569典型的EDFA增益谱固有的增益不平坦增益差随级联放大而积累增大各信道的信噪比差别增大各信道的接收灵敏度不同关键器件与关键技术37光发射机光发射机光发射机光发射机N123光接收机光接收机光接收机光接收机N123EDFA光功率光功率BER接收光功率波长波长38增益平坦/均衡技术•滤波器均衡：采用透射谱与掺杂光纤增益谱反对称的滤波器使增益平坦,如：紫外写入长周期光纤光栅、周期调制的双芯光纤等。只能实现静态增益谱的平坦，在信道功率突变时增益谱仍会发生变化EDFA+均衡器→合成增益39•新型宽谱带掺杂光纤：如掺铒氟化物玻璃光纤（30nm平坦带宽）、铒/铝共掺杂光纤（20nm）等，静态增益谱的平坦，掺杂工艺复杂•声光滤波调节：根据各信道功率，反馈控制放大器输出端的多通道声光带阻滤波器，调节各信道输出功率使之均衡，动态均衡需要解复用、光电转换、结构复杂，实用性受限40EDFA输出功率WDM系统要求EDFA具有足够高的输出功率，以保证各信道获得足够的光功率方法：多级泵浦221916输出功率（dBm）1540157041关键器件与关键技术•复用/解复用器•光放大器（EDFA）•光发射机42•光发射机•波长稳定性要求•WDM系统对光源发射波长的稳定性具有较高的要求•波长的漂移将导致信道之间的串扰43•影响发射波长的因素•对于DFB激光器，影响发射波长的因素：管芯温度、工作电流、光反射（利用隔离器减小）•管芯温度与激射光频的关系：呈单调直线下降，CGHzdtdf0/12•工作电流与激射光频的关系：theffBthBIIdIdTdTdnndIdIIeVddndId22电流→注入载流子变化→有源区折射率下降大电流→结温升高，正常工作时，起主导作用一般为-1GHz/mA左右B为DFB激光器的布拉格波长，为光栅周期，为场限制因子，n为折射率，为载流子浓度，为载流子寿命•比较而言，温度变化是波长漂移的主要因素44•波长稳定技术•温度控制：温控电路DFB-LD组件•温控电路通常由比例放大、PID（比